黑洞生存指南

文章正文
2021-06-22 10:38

宇宙中有无数的黑洞,最近的黑洞距离我们约 1500 光年,而在银河系的中心,座落着一个被称为人马座 A*(Sagittarius A*)的超大质量黑洞,距离我们大约 25000 光年。通常情况下,太空旅行者可能会尝试在平静的 G 型主序星(光谱型态为 G,发光度为 V 的主序星,质量约为 0.8 至 1.2 太阳质量,表面有效温度为 5300 至 6000K)周围寻找家园,但一些足够勇敢的星际居民或许会冒险前往黑洞周围,寻找理想的庇护所。在黑洞附近定居肯定不容易,但这也意味着你几乎肯定会比其他人更了解时空的本质。

感兴趣吗?如果你想在黑洞周围安家,以下指南或许能为你提供参考。祝你好运!

关于黑洞的基本知识

在第一次抵达黑洞附近时,你很可能会被它的极度“无聊”所震撼。黑洞本身就是一个悬在遥远宇宙中的黑色球形物,深不可测,难以理解。它们就在那里,什么也不做,依靠自身的质量发挥着引力作用。事实上,黑洞是出了名的容易被忽略,除非它们主动吞噬物质,或者碰巧挡住了背景中的恒星光线,否则你根本看不到它们。一旦确定黑洞所在的位置,你就可以开始行动了。

黑洞的大小由其质量决定的。1915 年,德国天文学家卡尔・史瓦西首先针对广义相对论的核心方程 —— 爱因斯坦场方程 —— 推导出了关于球状物质分布的解 —— 史瓦西度规,又称史瓦西解。这样的解又可被称为史瓦西黑洞,该天体的半径也以他的名字命名,即史瓦西半径。最小的黑洞,其史瓦西半径不会超过一做中等城市的长度,而最大黑洞的史瓦西半径则可以包含整个太阳系。

史瓦西度规在物理学上可以对应任何球对称星球外部的时空几何,因此常用于近似旋转缓慢(远低于光速)的天体的引力场,如恒星、行星等。对于黑洞,球体本身就代表了其事件视界。在事件视界内,引力会变得异常强大,以至于任何东西,包括光,都无法逃脱。黑洞的引力会不断地将时空拉向自己,这种拉力是如此之大,以至于在事件视界上,时空本身会以比光速更快的速度被拉进去。此时此地,如果你想逃跑的话,就必须对抗时空的极流。当然,你不可能做到这一点,最终还是会被困在里面。

不过,在怪异的事件视界之外,黑洞就显得“正常”很多,许多物体都会围绕其运转。引力就是引力而已,太阳对我们的引力完全取决于太阳的质量,黑洞也是如此。如果用一个质量与太阳相当的黑洞来代替太阳,那太阳系的行星运行轨道将完全不受干扰(当然,地球上所有的动植物都会死掉,但那是另一个问题了)。

只要离黑洞足够远,你就不会感到有什么异常。如果愿意,你可以永远保持在一个环绕黑洞的稳定轨道上。那么,对于任何想居住在黑洞附近的人来说,究竟距离多远才算“足够远”?我们可以计算出这一距离,即所谓的“最内层稳定圆轨道”(innermost stable circular orbit,简称 ISCO)。对于一个简单的、不旋转的黑洞,其 ISCO 是史瓦西半径的三倍。在这个距离以内,围绕黑洞运行的稳定圆形轨道是不可能存在的,你要么被抛入外部空间,要么坠入事件视界之内。

对于更现实的旋转黑洞,ISCO 就很难计算,因为这取决于黑洞旋转的速度,以及你所处的轨道是随着黑洞旋转(顺行),还是反其道而行(逆行)。不过,一般来说,只要距离黑洞大于 10 倍的史瓦西半径,就没什么问题。

光荣属于引力

尽管黑洞本身看起来很无聊,但它们周围的一切却绝非如此,因为黑洞只做一件事:吸引周围的物质。

无论黑洞的大小如何,围绕其进行轨道运动的弥散物质都倾向于形成吸积盘;事实上,几乎所有大质量致密天体(如中子星)都涉及吸积盘。当气体和尘埃进入黑洞附近时,角动量守恒将这些物质挤压成一个又薄又平的圆盘。这种物质可以来自任何地方:随机的星际气体云、附近天体的大气,甚至是其他恒星被撕裂后的残骸。无论来自何处,这些物质都会被黑洞的引力撕碎,碎片会沿着一条向内螺旋的的路径,即“拉伸线”(tendex line),进入事件视界张开的大口。

黑洞周围环境的活动剧烈程度取决于黑洞本身的质量。到目前为止,最常见的黑洞类型相对较小,只有几倍的太阳质量。如果一个如此规模的黑洞恰好有一颗伴星围绕其运行,当这颗伴星离得太近时,黑洞就会吸走它的大气层。气体在接近相对较小的黑洞时,必须压缩才能进入,就好像有太多的人要同时挤进一部小电梯。当气体被压缩时,其温度不断升高,最终热得足够发出 X 射线。

天鹅座 X-1 黑洞艺术概念图,正在吸食蓝星的物质

通过观测宇宙中 X 射线源的观测,天文学家发现了天鹅座 X-1(Cygnus X-1),这是最先被广泛承认为黑洞的候选星体,估计其质量为太阳质量的 14.8 倍。由于其具有极高的密度,使得黑洞成为唯一合理的解释;若是如此,它的事件视界半径约为 26 公里。

质量最大的一类黑洞被称为超大质量黑洞,堪称宇宙中的“怪物”,其规模常常超过数亿甚至数十亿倍太阳质量。吸积过程的物理作用也同样存在于超大质量黑洞周围,只不过是按比例适当地放大。在这些黑洞周围,吸积盘的温度可以达到 100 万开尔文。在这样的温度下,吸积盘所发出的辐射足以让数百万个星系加起来都黯然无光。

对于任何潜在的访客而言,这些吸积盘既是诅咒又是祝福。如果你想在一个黑洞周围建立自己的营地,你就必须用到吸积盘的能量;因为如果这个圆盘不存在的话,黑洞本身并不会提供任何形式的光。当然,黑洞周围有着强大到足以撕裂恒星的引力,吸积盘内的电场和磁场也差不多是整个宇宙中最强的,因此当你打算在这种地狱般的环境中生存时,会发现可用的能源异常充足,足以供几代人使用。

然而,即使是没有吸积盘的黑洞也能为你提供能量来源。这个过程被称为彭罗斯机制(Penrose mechanism),又称彭罗斯过程,是由诺贝尔奖得主、物理学家罗杰・彭罗斯推理出的一个过程。尽管该过程只适用于旋转的黑洞,但问题不大。黑洞通常是在大质量恒星死亡时形成的,而恒星一直在旋转,动量会转移给黑洞。因此,宇宙中并不缺少旋转的黑洞。

彭罗斯机制利用了旋转黑洞的一个特殊区域:能层。旋转物体拖拽着周围的时空,所有物体都会如此,因为这是引力的正常作用。能层位于黑洞的事件视界之外,形状呈扁球体,是一个不断移动的时空区域,被黑洞沿着自身转动的方向拖拽着。

彭罗斯发现,如果把一个物体扔进能层,使其分裂,就可以提取黑洞的能量。在物体分裂之后,有的碎片会掉进事件视界,从此消失不见;另一些碎片则仍然可以逃逸出去,脱离能层。逃逸出来的部分会从旋转的时空中获得推力,从而将旋转黑洞的能量转移出来。在通过彭罗斯机制吸取能量的过程中,黑洞的旋转会变得越来越慢。当然,你不能永远这么做(最终会使黑洞停止旋转),但鉴于黑洞在彭罗斯过程中能将物质喷射到数万光年远的地方,可以不用担心能源枯竭的问题。

如果来自吸积盘或彭罗斯机制的能量不够,你还可以利用黑洞的另一个特性:极端的引力。当光落入黑洞时,其能量会在接近事件视界时上升,就像一个球从山上滚下来时开始加速一样。如果你能在事件视界上方逗留的话,你就将沐浴在高能辐射中。

一颗恒星正在被超大质量黑洞的强大引力所破坏(想象图)

生活在黑洞边缘

然而,事件视界上方不可能有稳定的轨道供你逗留,因此这种方法有优点,也有缺点。你可能会用到现代物理学中一些最神秘问题的解,但也可能面临死亡。

和往常一样,问题的关键在于引力。黑洞周围的引力环境与恒星或行星周围的引力环境并没有太大的不同。质量就是质量,引力就是引力。黑洞之所以如此怪异,原因就在于其质量的分布;或者更确切地说,在于其质量的“不分布”。根据爱因斯坦的广义相对论,我们首先确定了黑洞的存在,而且最初形成黑洞的一切“原料”,以及黑洞自诞生之后吸收的一切物质,都集中到了黑洞中心的一个极小区域,一个 0 维的几何点,即奇点(singularity)。

根据广义相对论,奇点具有无限的密度。这显然是错误的,但我们暂时放着。在极端的浓缩质量下,引力效应会变得超乎想象。以潮汐力为例。月球对地球的引力导致了潮汐力:离月球较近的海洋受到额外的拉力,将其向上拉,而离月球较远的海洋受到的拉力比平均水平小,最终导致地球上的海洋会随着月球而起伏。

黑洞也能施加潮汐力,这也是它们能够撕裂离得太近的恒星的原因。如果你掉进一个恒星质量的黑洞,潮汐力甚至会在你到达事件视界之前把你撕成碎片。然而,对于超大质量黑洞,你在接近事件视界时实际上可能注意不到潮汐力:无穷大密度的奇点离事件视界足够远,其潮汐力可以忽略不计。

根据广义相对论,事件视界并没有什么特别之处。没有边界,没有标志,也没有闪光。如果你生活在那里,会发现食物尝起来和平时没什么两样;只有你试图转身离开时,你才会意识到自己掉进了一个黑洞,已经被永远困在那里。

然而,关于事件视界,除了从广义相对论中学到的东西以外,还有更多的问题需要解决。而当我们用量子力学的工具来研究事件视界的微观本质时,一切都失控了。

1979 年 10 月,斯蒂芬・霍金在普林斯顿大学

斯蒂芬・霍金在 20 世纪 70 年代发现,事件视界可以分离在宇宙的量子泡沫中自发产生的粒子对。这就导致黑洞并不是“100% 的黑”,而是在缓慢地发射辐射(每年不到一个光子),最终会完全蒸发掉。

这一认识催生了一个悖论。在霍金最初的理论中,黑洞发出的辐射是热辐射,只不过是随机的噪声。但另一方面,我们也从量子力学中知道,信息不能被复制或销毁 —— 我们总能从信息的最终状态重建初始状态,反之亦然。因此,如果把一堆信息扔进一个黑洞,它所发出的辐射将是完全不含信息的,而黑洞会最终消失…… 这些信息发生了什么?

关于这一黑洞信息悖论,有研究者提出了一个名为“黑洞火墙”的假说。在这个高度推测性的假说中,事件视界远不是另一个无聊的空间,而是一堵灼热的量子能量墙。这些能量能将掉进黑洞的任何东西撕碎,并在烧成碎片的同时将其信息内容保持在事件视界上。霍金辐射仍继续进行,只不过是以一种修改后的形式,慢慢地带走所有这些信息。

我们不知道黑洞火墙是否存在。如果它确实存在于事件视界中,那外界的宇宙就无法观测到它。也许观察这道火墙的唯一方法就是冒险穿越到事件视界的另一边。

超越事件视界

黑洞的事件视界是宇宙中一个很具体的例子,代表了已知物理学的失效之处 —— 我们只是没有足够的复杂性来理解事件视界内到底发生了什么。不过,如果你的身体能撑过这一关,黑洞内部将有更多的冒险和谜团等待着你。

黑洞内部的空间与外部的空间没有任何不同。如果你进入黑洞之前在自由下落,此时会依然自由下落;如果你落入之前刚吃了一口三明治,那此时的你嘴里还在咀嚼着。但由于极端的引力,你的未来在进入黑洞时会受到更多的限制。

简而言之:条条大路通奇点。现在,黑洞的奇点就存在于你所有可能的未来。无论你如何移动或转弯,奇点总是会出现在你面前,而且一直在变得更大。

当然,奇点本身仍然是一个无限小的点,但由于极端的潮汐力,你对周围世界的感知是强烈扭曲的。落在你身后的光线会被压缩成围在腰部的一条细带;在你面前,奇点拉长,变成一个黑色的世界,最终会成为一个毫无特征的黑色平原。

在碰到奇点之前,潮汐力会将你摧毁,并且会在很短时间内完成这一过程。你确实可以在一个巨大的黑洞中生存,但只能维持一小段时间。到达奇点的时间取决于黑洞的质量:对于恒星质量的黑洞,这段时间只有几微秒;对于超大质量黑洞,你则有几秒钟的时间来揭开宇宙最深的奥秘(并思考自己的命运)。

事实上,你没有任何选择。无论你做什么,你都会到达奇点。在黑洞之外,你可以完全自由地探索空间中的任何方向,但无法避免向自己的未来前进。在黑洞内部,每一个可能的运动都会把你引向奇点。你终将无可避免地进入事件视界,也将不可避免地抵达奇点。

无论黑洞的大小如何,在到达奇点前大约十分之一秒,潮汐力将强大到足以压倒其他任何已知的力。在到达无穷小的点之前,你会被摧毁,最终原子化。

至于奇点本身,这也是一个已知物理失效的区域。我们知道,出现在广义相对论方程中的无穷大是一个信号,表明我们需要一个完整的引力量子理论,来恰当地描述黑洞中心发生的事情。但目前缺乏这样的理论,因此我们不能确定发生了什么。

对于黑洞的最深处,物理学家们的各种猜测层出不穷。如果你真的身处其中,你将直面人类所知最神秘的物理学问题的答案。但遗憾的是,你无法将你所目睹的一切告诉任何人。

文章评论